esume Elektriske målinger af ultra tynde materialer giver store metrologiske udfordringer i halvlederindustrien: Produktion: elektriske modstandsmålinger skal være reproducerbare med en usikkerhed på <0.1% => M4PP bruges til procesovervågelse. Procesoptimering: elektriske modstandsmålinger skal have høj rumlig opløsning og være reproducerbare => M4PP bruges f.eks. til at minimere procesvariationer under kvalificering af procesudstyr. Forskning: Præcise modstandsmålinger af ultra tynde materialer helt ned til et atomlag samt måling af elektrontæthed og bevægelighed af elektroner via Mikro Hall Effekt => M4PP bruges til forskning i nye materialer som f.eks. III-V materialer og grafen. Mikro Fire-Punkts Proben er udviklet på DTU Nanotech (dengang Mikroelektronik Centret). Måleteknologien er udviklet i samarbejde med Capres A/S. 1af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Elektrisk karakterisering af nanomaterialer i forskningogproduktion Dirch Hjorth Petersen
Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Transistor 3af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober 4af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober Produktion: eproducerbarhed 5af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober Produktion: eproducerbarhed Procesoptimering: Variationer 6af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober Produktion: eproducerbarhed Procesoptimering: Variationer Forskning: Mikro Hall Effekt, Magnetic tunnel junctions og grafen 7af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Gate Source Drain Source/drain extensions. Ultra-shallow junctions (USJ). C.M. Osburn, et al. (1998). P. Eyben et al. 2007 8af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Forskning Elektriske egenskaber af nye materialer f.eks: Ladningsbærerkoncentration Elektron bevægelighed Procesoptimering Uniformitet Produktion Proceskontrol... for tidlig diagnosticering! 9af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Fire-punkts målinger Flademodstand, S Kontaktmodstand + seriemodstand, C V I C c S V I c S 10 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Konventionel metrology Fundamentalt problem med konventionelle 4PP Tyndfilms-penetration Mindre kontakt-kraft Mindre kontakt-tryk 11 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober Produktion: eproducerbarhed 12 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Produktion: proceskontrol Tidlig diagnosticering! D.K. Sadana, IBM Måling på små test pads Krav til procesvariation: typisk <2% Krav til måle reproducerbarhed: <0.1% 13 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Positionsfejl => målefejl 0.1 % @ 37 µm x 23nm C.L. Petersen et al., Mater. es. Soc. Symp. Proc. 738 (2003) 157 162. 14 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Dual configuration små prøver A 1 2 3 4 Uafhængig af in-line positionsfejl! B 1 2 3 4 Præcis måling i spejl-planet! C 1 2 3 4 L.J. van der Pauw, Philips es. ep. (1958).. ymaszewski, J. Phys. (1969). S. Thorsteinsson, et al. ev. Sci. Instrum. (2009). 15 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Dual configuration small samples 140 esistance χ (Ω) 120 100 80 Measurement Simulation W y W 60 0 1 2 3 4 5 6 7 Probe position y/s S. Thorsteinsson, et al. ev. Sci. Instrum. (2009). 16 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Dual configuration små prøver C 1 2 3 4 S. Thorsteinsson, et al. ev. Sci. Instrum. (2009). 17 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
epeatability and reproducibility epeatability Long term reproducibility Short term reproducibility 3 kev, 10 15 atoms/cm 2 BF 2 implant. epeatability and reproducibility <0.1 %. D. Kjaer et al., AIP Conf. Proc. 1066, 167 (2008). 18 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Capres MicroSP Mikroskop z-motor M4PP xy-motor Granit sten 19 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Mekanisk støj i produktionsmiljø Mekaniske vibrationer => målefejl! Dynamisk positionsfejl Løsning: Statisk kontakt 20 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Mikro-mekanisk vibrations tolerance Cantilever design Lige L-form Lige L-form Akustisk støj niveau Moderat Høj Måle yield 81 % 100 % 0 % 100 % elativ SD på S 0.17 % 0.05 % NA 0.09 % I samarbejde med Ane Jensen (Capres A/S) 21 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober Produktion: eproducerbarhed Procesoptimering: Variationer 22 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Millisekund laser annealing Ion implantering efterfølges af laser annealing. 1300C. v Laser 23 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Uniformitet af flademodstand Sheet resistance [Ω/ ] 760 740 720 700 680-16 -12-8 -4 0 4 8 12 Y-position [mm] D.H. Petersen et al., JVST B 26, 2008. 24 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Spatial frequency transfer function Sheet resistance [Ω/ ] el.st.dev. of s [%] 740 730 720 710 700 690 2 1 0 1.5µm 10µm 20µm 50µm 100µm 200µm 300µm 350µm 450µm 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 Y-position [mm] 1 10 100 1000 Probe pitch [µm] D.H. Petersen et al., JVST B 26, 2008. 3 2 1 0 el. peak-to-peak vatiation of s [%] Transfer function magnitude m/ 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 10 2 θ 1 0 1 0 s 40 0.9 10 2 1 0 1 1 0 0 Makroskopisk fire-punkts prober undervurderer S variationer. 1 0.99 0.98 0.97 0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 P robe pitch s/ 500μm 40 θ = π/ 2 θ = 0 Practical measurement 12.5μm F. Wang et al., TP 09, 2009. 1 1 25 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Mikro S variationer Laser scan retning 1 3 2 1. Overlapningsmønster 2. Laser power densitet 3. Laser power fluktuationer D. H. Petersen et al., JVST B 26, 362 (2008). W. Vandervorst et al., MS 2008 Spring meeting (2008). 26 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Laser optimering Laser power uniformitet 300 Hz støj v Laser (b) s (Ohm/sq) 1500 1300 1100 900 700 LASE #1 LASE #2 500-6 -4-2 0 2 4 6 Y (mm) (c) FT(s(x)) 2 1 0 2 1 0 LASE #1 150 mm/s LASE #2 150 mm/s 0 1 2 3 4 5 6 7 Spatial frequency (1/mm) W. Vandervorst et al., MS 2008 Spring meeting. 27 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Mønstrede shallow trench isolation 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 0 100 200 300 400 Pad side length [µm] v Laser E. osseel, et al., TP 09 (2009). 28 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober Produktion: eproducerbarhed Procesoptimering: Variationer Forskning: Mikro Hall Effekt, Magnetic tunnel junctions og grafen 29 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Forskning Mikro Hall Effekt Ladningsprofilering 2D materialer: Grafen Magnetiske tunnel overgange (magnetic tunnel junctions) 30 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Uendelig flade: ingen Hall Effekt! Tangential strøm 31 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Hall Effekt Konventionel Hall Effekt (van der Pauw) Mikro Hall Effekt S 1 en S Flademodstand, S Enhedsladning, e Elektron bevægelighed, µ Elektrontæthed, N S 32 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
33 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark Mikro Hall effekt S A A A AA c 2 ' ' 0 ' ' A A AA Modstands differens Modstands gennemsnit S B B B BB c 2 ' ' H H B B BB c ' ' D.H. Petersen, et al., J. Appl. Phys. (2008). z S H H B r Z H z H S Ze B r N Bevægelighed Elektron tæthed
Mikro Hall Effekt exp 2 AA' 2 exp P BB' P 1 BB' H 2 3arctan s 2y arctan 3s 2y 2 Measurements Theory 2 Measurements Theory P S 1.5 20 µm BB ' H 1 1 0 1 2 3 4 Normalized distance to edge, y/s 0 0 1 2 3 4 Normalized distance to edge, y/s D.H. Petersen, et al., TP 08 (2008). 34 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Sammenligning med andre teknikker Ladningsbærertæthed v Laser T. Clarysse, et al., Mater. Sci. and Eng. B (2008). E. osseel, et al., TP 08 (2008). D.H. Petersen et al., JVST B, 2010. 35 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Mikro Hall Effekt μ H /<μ H > 1.1 1.0 0.9 Elektron bevægelighed Mobility 0.8 N HS /<N HS > 1.1 1.0 0.9 Ladningsbærertæthed Sheet carrier density v rel H 1.3% Laser 0.8 G S /<G S > 1.1 1.0 0.9 0.8 Fladekonduktans Sheet conductance -4-2 0 2 4 Position (mm) G S S 1 e HS D.H. Petersen, et al., TP 08 (2008). H N 36 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Ladningsprofiling s,1 s,2 s,3 s,4 s,5 s,6 s,1 s,2 s,3 s,4 s,5 s,6 d j Sublayer flademodstand, s,j s, j j s, j 1 s, j 1 s, j d s, j j s, j esistivitet, j T. Clarysse et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. es. B (2006). 37 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Ladningsprofiling 1.E+20 Concentration (/cm3) 1.E+19 1.E+18 1.E+17 1.E+16 1.E+15 9 nm SIMS M4PP SP 0 10 20 30 40 50 Depth (nm) T. Clarysse et al., JVST B (2008). D. H. Petersen et al., JVST B (2010). 38 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Micro Hall Effekt på grafen 4000 Gated Graphene double layer 4000 Gate, V G Sheet resistance (Ω) 3000 2000 1000 0 μ heff 0 10 20 30 40 50 60 70 Gate voltage V G (V) 2000 0-2000 -4000 Effective Hall mobility μ heff (cm 2 /Vs) Courtesy of Torben M. Hansen 39 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Magnetic tunnel junctions til harddisk læsehoved Tunnel junciton 40 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Multipunkts prober Forskellige afstande Forskellig overflade sensitivitet 41 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Konklusion Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Produktion: eproducerbarhed og tidlig diagnosticering Procesoptimering: Karakterisering af variationer Forskning: Alsidig metrologi til mange formål 42 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Purpose of metrology Michael Current Simon Prussin If you don t look, you won t see! Presentation at the TP 2008, Las Vegas. 43 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark
Samarbejdspartnere Peter Bøggild, Ole Hansen, Peter F. Nielsen og Wilfried Vandervorst DTU Nanotech IMEC, Belgien Capres A/S DTU Danchip 44 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark